JP3469136B2 - 波形制御装置 - Google Patents

波形制御装置

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JP3469136B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、振動台や疲労試験
機などの制御に適用される波形制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】振動台や疲労試験機は、例えば正弦波や
矩形波のような周期的な波形を予め定めておき、これに
従って試験対象の試料を駆動し、その試料の強度を確証
するために利用される。試料を駆動する際に、波形が試
料毎に違ったのでは意味のある実験がなされないので、
これら振動台や疲労試験機には指定した波形を正確に再
現することが求められる。これら振動台や疲労試験機に
は、指定した波形を正確に再現するために、通常フィー
ドバック制御系が設けられている。
【0003】図3は、従来例に係る振動台制御装置の構
成を示す図である。テーブル1には供試体2が取り付け
られており、テーブル1をアクチュエータ6で駆動する
ことにより、供試体2を振動させる。振動台13には変
位計4とサーボ増幅器5とから成る変位フィードバック
制御系が備えられており、テーブル1はサーボ指令信号
uが与えられると、それに追従するようになっている。
【0004】理想的なハードウェア、即ち継ぎ手8のが
たつき(以下、ガタ)やアクチュエータ6の非線形性な
どの全く存在しないハードウェアを用意できるとすれ
ば、周期目標波発生器9に蓄えられた目標波信号rをサ
ーボ指令信号uとして与えると、テーブル1は目標波を
正確に再現する。
【0005】しかし、実際のハードウェアには上述した
継ぎ手8のガタ等があるので、テーブル1の応答は歪ん
だものとなる。この歪には、目標波信号rの基本周波数
成分における高調波成分が含まれているので、一般に高
調波歪と呼ばれている。この高調波歪はガタ等に起因す
るので、振動台毎に異なっている。
【0006】また、継ぎ手8のガタは継ぎ手8自身の摩
耗等が強く影響し、経時変化するものであり、高調波歪
があると普遍的な振動試験を行なえない。即ち、振動試
験の品質を改善するためには高調波歪の除去が必要であ
る。この高調波歪の除去は、波形制御装置11で補償信
号ucを発生し、これを目標波信号rに重畳させサーボ
指令信号uとすることにより行なう。
【0007】図4は、波形制御装置11における従来の
補償信号ucの算出法を示す図である。記憶器14は加
速度計3で計測したテーブル加速度信号
【0008】
【数1】
【0009】の一周期分を記憶する。
【0010】記憶器16は、目標波信号rを二階微分器
15で二階微分して得た目標加速度信号
【0011】
【数2】
【0012】の一周期分を記憶する。
【0013】フーリエ変換器17は、テーブル加速度信
【0014】
【数3】
【0015】をフーリエ変換し、テーブル加速度周波数
スペクトル
【0016】
【数4】
【0017】を算出する。
【0018】フーリエ変換器18は、目標加速度信号
【0019】
【数5】
【0020】をフーリエ変換し、目標加速度周波数スペ
クトル
【0021】
【数6】
【0022】を算出する。
【0023】補償信号周波数スペクトル修正器19は、
前回使用した補償信号周波数スペクトルUc Oldを次式
(1)で補正する。
【0024】
【数7】
【0025】ここで、G-1はサーボ指令信号からテーブ
ル加速度信号への周波数応答である。
【0026】フーリエ逆変換器20は修正した補償信号
周波数スペクトルUcをフーリエ逆変換し、1周期分の
補償信号ucを生成する。
【0027】補償信号発生器21は、1周期分の補償信
号ucを蓄え、図3に示した周期目標波発生器9と同期
をとりつつ、補償波を時々刻々発生する。このように発
生した補償波に対するテーブル1の応答と目標波とに、
なお相違があるときには、再度上記の手順で補償波を補
正する。
【0028】式(1)から明らかなように、目標加速度
信号の周波数スペクトル
【0029】
【数8】
【0030】とテーブル加速度
【0031】
【数9】
【0032】の周波数スペクトル
【0033】
【数10】
【0034】に不一致があれば目標波は補正されるの
で、この手順を繰り返すことにより、高調波歪が除去さ
れ最終的に一致する。
【0035】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の目標波
の補正方法には以下に述べる二つの課題がある。
【0036】第一の課題は、フーリエ変換器17,18
およびフーリエ逆変換器20を実現するためにはデジタ
ル計算機を要するので、コスト高になるということであ
る。第二の課題は、補償波の補正は目標波形1周期分の
信号を蓄えた後に行なうので、加振と補償波の補正とを
同時に並行して行なうことができず、高調波歪の除去に
長時間を要すということである。
【0037】本発明の目的は、安価な構成で補償波の補
正を時々刻々行なうことができる波形制御装置を提供す
ることにある。
【0038】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の波形制御装置は以下の如く構
成されている。
【0039】(1)本発明の波形制御装置は、高調波歪
の周波数スペクトルを時々刻々演算する演算手段と、こ
の演算手段で演算された周波数スペクトルを時間的に積
分することにより、前記高調波歪に対する補償波の周波
数スペクトルを時々刻々算出する補償波スペクトル算出
手段と、この補償波スペクトル算出手段で算出された前
記補償波の周波数スペクトルの和をとることにより補償
波を時々刻々出力する出力手段と、から構成されてい
る。
【0040】(2)本発明の波形制御装置は、目標加速
度に対する実際の加速度の誤差信号を時々刻々算出する
誤差算出手段と、この誤差算出手段で算出された誤差信
号の周波数スペクトルを時々刻々演算する演算手段と、
この演算手段で演算された周波数スペクトルを時間的に
積分することにより、前記誤差信号に対する補償波の周
波数スペクトルを時々刻々算出する補償波スペクトル算
出手段と、この補償波スペクトル算出手段で算出された
前記補償波の周波数スペクトルの和をとることにより補
償波を時々刻々出力する出力手段と、から構成されてい
る。
【0041】
【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)図1は、本
発明の第1の実施の形態に係る波形制御装置の構成を示
す図である。図1に示す波形制御装置27は、図3に示
した振動台制御装置において、波形制御装置11に代え
て用いられる。波形制御装置27は、正弦波状のみの目
標波信号に対し簡便に波形制御を行うためのものであ
り、複数の特定高調波制御器22と周波数応答関数記憶
器23とを備えている。
【0042】特定高調波制御器22は複数備えられお
り、それぞれ加速度信号
【0043】
【数11】
【0044】に基づいて、周波数kωの高調波に対する
補償波u(kω)を出力する。周波数kωの特定高調波
に対する周波数応答関数G(kω)は周波数応答関数記
憶器23に蓄えられており、補償波u(kω)の算出に
用いられる。
【0045】各特定高調波制御器22は、高調波歪の特
定の1つの周波数成分kω(k=3,5,7,9,…,
N)に対する補償波u(kω)を出力する。
【0046】加速度信号
【0047】
【数12】
【0048】には、複数の周波数成分の高調波が含まれ
ているので、特定高調波制御器22を含まれている周波
数成分に応じて複数用意している。一般に、高調波の周
波数成分は目標波信号rの繰り返し周波数ωの奇数倍の
成分が強いので、kの値を奇数に設定するとよい。
【0049】次に、特定高調波制御器22における演算
内容について述べる。ベクトルフィルタ24は、以下の
演算により加速度信号
【0050】
【数13】
【0051】を、周波数kω成分の周波数スペクトルA
(kω),B(kω)に時々刻々分解する。
【0052】
【数14】
【0053】A(kω),B(kω)を用いて、高調波
εは下式(4)のように表される。
【0054】
【数15】
【0055】波形制御の目的は、高調波εを0にするこ
とであるが、上式(4)はA(kω)とB(kω),
(k=3,5,7,9,…,N)を0にすればその目的
が達成できることを表している。
【0056】A(kω)とB(kω)を0にするために
加えるべき補償信号は、補償波スペクトル算出器25で
以下のように計算する。
【0057】加速度信号
【0058】
【数16】
【0059】中にA(kω),B(kω)の周波数スペ
クトルが観測されたとする。このとき、これを打ち消す
ためには、周波数応答関数記憶器23よりkωにおける
補償信号ucから加速度
【0060】
【数17】
【0061】までの周波数応答関数G(kω)を取り出
し、補償信号の周波数スペクトルAu(kω),Bu
(kω)に下式(5)で求められる分だけ足して修正す
ればよい。
【0062】
【数18】
【0063】よって、式(5)の修正則(修正方法)に
したがって、δAu(kω)とδBu(kω)を下式
(6),(7)で時々刻々更新すれば、時間の進行と共
にA(kω)とB(kω)は0になるので、周波数kω
の高調波成分を除去できる。
【0064】
【数19】
【0065】ここで、αは修正速度を調整する定数であ
る。
【0066】補償波発生器26はAu(kω),Bu
(kω)に基づいて、補償波の周波数kω成分u(k
ω)を次式(8)で計算する。
【0067】 u(kω)=Au(kω)sinkωt+Bu(kω)coskωt ( 8) 補償波発生器26は、同様の計算を他の周波数成分につ
いても行ない、次式(9)で補償波uを求める。
【0068】
【数20】
【0069】以上のように本第1の実施の形態では、ベ
クトルフィルタ24で高調波歪の周波数スペクトルA
(kω),B(kω)を時々刻々計算し、式(6),式
(7)に示すようにA(kω),B(kω)を時間的に
積分することにより、補償波の周波数スペクトルAu
(kω),Bu(kω)を時々刻々修正し、式(8)式
に示すようにAu(kω)とBu(kω)をそれぞれs
inkωtとcoskωtの重み係数として和をとるこ
とで、補償波u(kω)を時々刻々出力している。
【0070】このように本第1の実施の形態によれば、
三角関数と積分等の基本演算で補償波を算出できるの
で、リアルタイムで連続的に補償波の修正ができ、高調
波歪を短時間で除去することができる。また、加振試験
中の供試体の特性変化に起因する波形歪についても、試
験を中断することなく連続的に除去することができる。
【0071】(第2の実施の形態)図2は、本発明の第
2の実施の形態に係る波形制御装置の構成を示す図であ
る。図2において図1と同一な部分には同符号を付して
ある。図2に示す波形制御装置28は、正弦波状の目標
波のみならず、矩形波や三角波のような一般的な目標波
に対しても有効な装置であり、加速度誤差算出器29と
複数の特定高調波制御器22と周波数応答関数記憶器2
3とを備えている。
【0072】加速度誤差算出器29は、目標波信号rに
対するテーブル1の加速度誤差信号eを出力する。特定
高調波制御器22は複数備えられており、それぞれ誤差
信号eに含まれる周波数kωの成分を補償する補償波u
(kω)を出力する。周波数kωに対するテーブル1の
周波数応答関数G(kω)は周波数応答関数記憶器23
に蓄えられており、補償波u(kω)の算出に用いられ
る。
【0073】加速度誤差算出器29は、目標波信号rと
テーブル加速度信号
【0074】
【数21】
【0075】とを入力し、下式(10)の演算により誤
差信号eを出力する。
【0076】
【数22】
【0077】上記加速度目標信号
【0078】
【数23】
【0079】は、30で目標波信号rを2階微分するこ
とにより得る。
【0080】各特定高調波制御器22は、誤差信号eの
特定の1つの周波数成分kω(k=1,3,5,7,
…,N)に対する補償波u(kω)を出力する。
【0081】誤差信号eには複数の周波数成分の高調波
が含まれるので、特定高調波制御器22も含まれている
周波数成分に応じて複数用意される。特定高調波制御器
22の構成は上記第1の実施の形態に示したものと同様
であるが、ベクトルフィルタ24の入力信号が誤差信号
eとなる点に違いがある。すなわち、ベクトルフィルタ
24の演算は次式(11)(12)となる。
【0082】
【数24】
【0083】A(kω),B(kω)を用いると、誤差
信号eは次式(13)のように表される。
【0084】
【数25】
【0085】波形制御の目的は、誤差eを0にすること
であるが、式(13)はA(kω)とB(kω)を全て
0にすれば目的が達成できることを示している。A(k
ω)とB(kω)を0にするための方法は上記第1の実
施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【0086】以上のように第2の実施の形態によれば、
加速度誤差算出器29で目標加速度
【0087】
【数26】
【0088】に対する実際の加速度
【0089】
【数27】
【0090】の誤差信号eを時々刻々計算し、ベクトル
フィルタ24で誤差信号eの周波数スペクトルA(k
ω),B(kω)を時々刻々計算し、(7)式、(8)
式に示すようにA(kω),B(kω)を時間的に積分
することにより補償波の周波数スペクトルAu(k
ω),Bu(kω)を時々刻々修正し、(8)式に示す
ように、Au(kω)とBu(kω)をそれぞれsin
kωtとcoskωtの重み係数として和をとることに
より補償波u(kω)を時々刻々出力することを特徴と
する。
【0091】これにより本第2の実施の形態によれば、
正弦波のみならず矩形波や三角波のような任意の目標波
に対して加振を追従させることができる。
【0092】なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施で
きる。
【0093】
【発明の効果】本発明によれば、デジタル計算機等を用
いることのない安価な構成で、補償波の補正をリアルタ
イムで行なうことができ、高調波歪を短時間で除去でき
る。よって、対象の加振と補償波の補正とを同時に並行
して行なうことができる。
【0094】本発明によれば、デジタル計算機等を用い
ることのない安価な構成で、補償波の補正をリアルタイ
ムで行なうことができ、加速度目標波に対する実際の加
速度の誤差信号を短時間で除去できる。よって、対象の
加振と補償波の補正とを同時に並行して行なうことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る波形制御装置
の構成を示す図。
【図2】本発明の第2の実施の形態に係る波形制御装置
の構成を示す図。
【図3】従来例に係る振動台制御装置の構成を示す図。
【図4】従来例に係る波形制御装置における補償信号算
出法を示す図。
【符号の説明】
1…テーブル 2…供試体 3…加速度計 4…変位計 5…サーボ増幅器 6…アクチュエータ 8…継ぎ手 9…周期目標波発生器 11…波形制御装置 13…振動台 14…記憶器 15…二階微分器 16…記憶器 17…フーリエ変換器 18…フーリエ変換器 19…補償信号周波数スペクトル修正器 20…フーリエ逆変換器 21…補償信号発生器 22…特定高調波制御器 23…周波数応答関数記憶器 24…ベクトルフィルタ 25…補償波スペクトル算出器 26…補償波発生器 27…波形制御装置 28…波形制御装置 29…加速度誤差算出器 30…2階微分器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−36422(JP,A) 特開 昭60−252920(JP,A) 特開 昭59−208615(JP,A) 特表 平10−503868(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01M 7/02

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高調波歪の周波数スペクトルを時々刻々演
    算する演算手段と、 この演算手段で演算された周波数スペクトルを時間的に
    積分することにより、前記高調波歪に対する補償波の周
    波数スペクトルを時々刻々算出する補償波スペクトル算
    出手段と、 この補償波スペクトル算出手段で算出された前記補償波
    の周波数スペクトルの和をとることにより補償波を時々
    刻々出力する出力手段と、 を具備したことを特徴とする波形制御装置。
  2. 【請求項2】目標加速度に対する実際の加速度の誤差信
    号を時々刻々算出する誤差算出手段と、 この誤差算出手段で算出された誤差信号の周波数スペク
    トルを時々刻々演算する演算手段と、 この演算手段で演算された周波数スペクトルを時間的に
    積分することにより、前記誤差信号に対する補償波の周
    波数スペクトルを時々刻々算出する補償波スペクトル算
    出手段と、 この補償波スペクトル算出手段で算出された前記補償波
    の周波数スペクトルの和をとることにより補償波を時々
    刻々出力する出力手段と、 を具備したことを特徴とする波形制御装置。
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